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Contribution à la valorisation de boues de station d'épuration par l'appréciation d'une nouvelle méthodologie de l'essai au bleu méthylène( Télécharger le fichier original )par BEN ABDELMOUMENE Naà¯ma AHED MESSAOUD Leà¯la Université des sciences et de la technologie d'Oran - Licence 2011 |
6.4. La stabilisation & l'hygiénisationCertains spécialistes considèrent que les techniques suivantes permettent de garantir stabilisation et hygiénisation : Stabilisation biologique : a- Digestion anaérobie : (37 °C, TS>20 j) Les objectifs du traitement des boues par digestion anaérobie sont les suivantes : - stabilisation des boues par voie biologique (réduction du pouvoir fermentescible) - hygiénisation des boues (destruction des germes pathogènes) - réduction du volume Les digesteurs de boues de STEP peuvent être dimensionnés sur des moyennes ou faibles charges, en fonction du rapport de la charge massique et du rendement escompté. En général, les STEP municipales sont équipées de 2 digesteurs à forte charge placés en série. En premier, un digesteur primaire, brassé au biogaz en permanence et chauffé au biogaz par un échangeur externe assure la première étape du traitement. Un digesteur secondaire, brassé par intermittence et non chauffé, permet d'obtenir un rendement plus poussé et assure en même temps un rôle de stockage (ce dernier point est très important car il conditionne l'efficacité de la filière "boues"). Comme dans tout réacteur biologique, le contrôle de l'homogénéité du milieu est essentiel. Dans le cas des digesteurs de boues de STEP, les mélangeurs mécaniques, sensibles aux filasses, ont été remplacés par un brassage au biogaz produit par le milieu. On considère qu'un brassage de l'ordre de 1 à 2 Nm3/m2/h est suffisant dans le digesteur. En outre, nous avons vu que le procédé était plus efficace dans la zone dite "thermophile" et c'est pourquoi le digesteur est en général réchauffé à l'aide du biogaz produit. Les boues du réacteur sont donc recirculées au travers d'un échangeur de chaleur (souvent tubulaire) alimenté en eau chaude provenant d'une chaudière fonctionnant au biogaz. La chaleur apportée vise à maintenir une température de l'ordre de 35°C (il faut tenir compte des pertes inévitables et de la température des boues à traiter.
Tableau 9 : Les bases du dimensionnement Dans la pratique, la charge de 1.8 kg MV/m3.j n'est pas dépassée et, pour la digestion à une seule étape, le temps de séjour est de l'ordre de 22 à 25 j, respectivement 17 - 20 j + 5 j dans le cas de double étage. En outre, les boues en entrée ont en général une concentration de l'ordre de 30 à 80 g/l et une teneur en MV de 60 à 80 %. Certains constructeurs préconisent un raisonnement avec la charge massique qui doit être inférieure à 0.13 kgMV/kgMV.j. En outre, de bonnes conditions de fonctionnement sont obtenues avec les valeurs suivantes : - pH compris entre 6.5 et 7.5 - AGV compris entre 100 et 500 mg/l d'acide acétique - TAC compris entre 1 500 et 6 500 mg/l de carbonate de calcium - AGV/TAC compris entre 0.1 et 0.2 Nous l'avons vu, la digestion anaérobie s'accompagne de la production de biogaz. La composition moyenne observée est la suivante : - méthane : 60 à 65 % - gaz carbonique : 30 à 35 % - éléments traces (H2S : 0.1 %, O2, mercaptans, azote...) Le pouvoir calorifique du biogaz dépend bien sûr de sa composition et le PCI du méthane est de 8400 Kcal/m3. Le PCI du biogaz est donc dans la proportion de sa teneur en méthane. Avec un biogaz à 65 % de méthane, le PCI sera de 5460 Kcal/m3. (6.63 kWh/Nm3, densité 1.13 kg/Nm3). En terme de rendement du procédé, le taux d'élimination des MV dépend bien entendu de la charge appliquée et de la qualité des boues à digérer (taux MV/MS), il est en général pour les boues de STEP de l'ordre de grandeur des valeurs ci- dessous : - 45 à 50 % pour les boues mixtes (0.7 à 1.0 Nm3/kg MV détruit), - 50 à 55 % pour les boues primaires (0.9 à 1.2 Nm3/kg MV détruit), La consommation électrique est faible, de l'ordre de 3 à 7 W/m3 pour pompage et agitation, soit 50 à 100 kWh/T MS). b- Stabilisation aérobie thermophile (55°C, TS>6 j): Les objectifs du traitement des boues par stabilisation aérobie thermophile sont similaires à celle de la digestion anaérobie (réduction des MS, stabilisation et hygiénisation). Pour y parvenir, une oxydation biologique avec aération forcée à haute température (50 à 65°C) est en général mise en oeuvre dans une cuve fermée ou non. Le procédé présente plusieurs variantes et peut d'ailleurs comporter 1 ou 2 étages (comme les boues activées) et s'applique de préférence sur des boues primaires fraîches.
Tableau 10 : quelques caractéristiques de ce type stabilisation aérobie thermophile Il convient de souligner le problème des écumes très concentrées formées au cours du process qui imposent des contraintes d'exploitation. Signalons enfin que la stabilisation aérobie des boues sans récupération de chaleur peut également être pratiquée (à 20°C, 12 à 20 j de temps de séjour avec une charge de 2kg MV/m3.j et un besoin de 0.1 kgO2/kg MV.j) c- Le compostage (60°C, TS>2 mois) : Le compostage est un procédé de valorisation des déchets organiques. Il permet la biodécomposition de la matière organique avec une biomasse complexe, aérobie et thermophile. Dans le cas des boues de STEP, le compostage permet de traiter efficacement le risque sanitaire, de maîtriser les nuisances olfactives et enfin d'obtenir un produit facilement transportable et avec une valeur agronomique certaine. Mais les boues ne sont pas compostables seules car, même déshydratées à 20 % de MS, l'état pâteux interdit l'aération du tas. C'est pourquoi la présence d'un agent structurant (écorces, déchets verts, paille, sciure, rafles de maïs broyée, crânes de moutons broyées au Koweït...) est indispensable. On estime la perte en poids de l'ordre de 50 % entre le substrat entrant (boues ou déchets verts ...) et le compost produit. On distingue 3 principes de compostage (en tas, soit en andains ou en bioréacteurs) qui imposent une mise en oeuvre contraignante du point de vue de l'exploitation (retournement des produits compostés). Mais la technique de l'aération forcée à l'aide de ventilateurs a fait les preuves de son efficacité. Une mise en oeuvre défectueuse peut en effet engendrer des nuisances d'ordre olfactif. Les 2 premières méthodes présentent des coûts d'investissement et de fonctionnement très inférieurs à ceux induits par le bioréacteur qui permet cependant de produire du compost de haute qualité et à vocation commerciale. Le fonctionnement correct du compostage dépend des paramètres suivants : ? Un apport en oxygène suffisant ainsi qu'un transfert d'oxygène optimisé par une granulométrie grossière et un mélange homogène des différents produits à composter, ? une teneur hydrique correcte car un excès en eau peut entraîner une anaérobiose du milieu. Le taux d'humidité des produits à composter doit être compris entre 50 et 65 %. Des conditions trophiques du milieu doivent également être respectées afin de favoriser une activité microbiologique correcte (rapport C/N = 30, ratio N/P = 2 à 5, ratio N/K = 12, biodisponibilité des éléments S, Ca, et Mg, et pH voisin de 7). Les débouchés potentiels des produits de compostage vont conditionner les quantités, la qualité et donc la filière de compostage à développer. La mise en oeuvre de la filière doit donc s'insérer dans le contexte du marché et répondre aux contraintes réglementaires. A priori, le compostage mixte semble promis à un bel avenir. En effet, en 1997, d'après l'ADEME, la production atteint 20 000 T pour les composts de boues de STEP (seulement 2 à 3 % de la production de boues en France), 500 000 T pour les composts d'OM et 20 000 T pour les composts de déchets verts. La projection à l'horizon 2000-2002 prévoit une production de 60 000 T pour les composts de boues, 700 à 800 000 T pour les composts d'OM et 300 à 400 000 T pour les composts verts. La loi 79-595 du 13.07.79 définit l'organisation du contrôle des matières fertilisantes et des supports de culture. La faisabilité du co-compostage avec des déchets graisseux, est liée à leur déshydratation préalable, ainsi qu'à une teneur limitée à 40 % du taux de graisses sur l'ensemble du mélange de déchets à composter. Le produit obtenu présente une siccité de l'ordre de 60%. Le CEMAGREF a piloté une importante opération de revégétalisation des sols de montagnes et de pistes de ski avec du compost de boues de STEP ( la dose épandue est de l'ordre de 100 à 150 T MS/ha pour la reconstitution de substrat et elle est comprise entre 30 à 50 T MS/ha pour fertilisation). En théorie, avec 100 000 T de MS/an, il est possible de réaliser un épandage sur 2 000 ha pour un coût moyen de 11 à 17 F/m2 (soit 200 à 350 F/ T MS). Nous pouvons signaler une autre alternative au compostage, la lombriculture. Le développement de vers rouges (Eisinia Fétida andrei) sur un support de déchets à dégrader, permet l'obtention plus rapide d'un compost stable, d'aspect homogène et dépourvu de nuisances olfactives. La station d'épuration de Toulouse Ginestous mène cette expérience depuis une dizaine d'années et le compost produit est épandu en agriculture. Stabilisation chimique a- Chaulage (pH 12, TS > 10 j): L'utilisation de la chaux a déjà été abordée au niveau des conditionnements, mais le chaulage peut également être considérée comme un traitement de stabilisation & d'hygiénisation. En effet, au-delà de pH 12, la biomasse est inhibée et une hygiénisation partielle peut être réalisée avec l'augmentation de température due à la chaux vive. Administré à des boues pâteuses présentant des siccités variables (15 à 30 %), le chaulage à la chaux vive permet d'atteindre des siccités finales de l'ordre de 30 à 40% en fonction du rapport CaO/MS. Le calcul de la conservation de la masse et de l'évaporation permet d'apprécier la correlation entre CaO/MS et la siccité finale. A titre d'exemple, une boue à 20 % atteint les 30 % avec un rapport de 50.2 % (la chaux est pure à 92 %). En terme d'énergie, on estime à 5 kWh/T MS les besoins pour pompage et malaxage. b- Stabilisation aux nitrites (pH 2, TS> 2 h) : Développée par OTV, le procédé SAPHYR, process de type "mixte", permet la stabilisation des boues liquides épaissies à 15 - 25 % par des nitrites en milieu faiblement acide (+ 3 % de siccité) ce qui autorise aussi bien la valorisation agricole que l'incinération. Stabilisation physique (90°C, TS>10 min) : Le séchage thermique permet d'atteindre 4 objectifs : - élimination de l'eau interstitielle, - amélioration de la texture, - augmentatio de la capacité calorifique (en vue d'une incinération), - stabilisation & hygiénisation. Les taux de siccité obtenus par des sécheurs industriels sont compris entre 35 - 45% (séchage partiel) et 60 - 90 % (séchage poussé), ce qui, dans tous les cas, réduit considérablement le volume et le tonnage des boues séchées (et donc leur transport pour l'élimination finale). A ces 4 objectifs peuvent correspondre 4 contraintes : - inhomogénéité des boues à sécher - variabilité de l'humidité des boues - viscosité élevée des boues séchées à 45 - 50 % (collage et chute du coefficient de transfert thermique) C'est pourquoi, des machines à vitesse de rotation adaptée ont été développées sur 3 types de process : - séchage direct (un gaz chaud évapore l'eau par convection avec recyclage de boue séchée, un traitement des gaz est nécessaire. On distingue les sécheurs à tambours, à lit fluidisé, de type flash, à bande) - séchage indirect (un fluide caloporteur assure le transfert thermique par conduction. On distingue les sécheurs à disques, à palettes, à couches minces et à plateaux et il existe des systèmes à un et à deux étages) - séchage mixte (transfert de chaleur par convection et conduction)
Tableau 11 : les critères de sélection des procédés de séchage En général, le séchage complet un traitement de déshydratation par centrifugation ou par filtre presse. Le coût énergétique est bien sûr élevée et de l'ordre de 800 à 1200 kWh/T d'eau évaporée. En terme d'électricité, à partir d'une boue à 25 %, il faut 30 kWh/T MS pour obtenir une siccité de 35 % (séchage partiel) et de 50 kWh/T MS pour obtenir une siccité de 95 % (séchage total).
Tableau 12 : les avantages & inconvénients de chaque type de séchage |
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